專利名稱：一種多波束碼捕獲方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的終端用戶機(jī)，具體涉及北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)終端用戶機(jī)中基帶信號部分內(nèi)的多波束碼捕獲方法及其裝置。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星導(dǎo)航定位是指利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供位置、速度及時間等信息來完成對各種目標(biāo)的定位、導(dǎo)航、監(jiān)測和管理。除了滿足國防建設(shè)的需要，主要還將用于國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)，為交通運(yùn)輸、氣象、石油、海洋、森林防火、災(zāi)害預(yù)報、通信、公安以及其他特殊行業(yè)提供高效的導(dǎo)航定位服務(wù)，應(yīng)用前景十分廣闊。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)不斷應(yīng)用到各個不同的領(lǐng)域，通信終端用戶機(jī)的種類也越來越豐富，比如手持型用戶機(jī)、車載型用戶機(jī)、船載型用戶機(jī)、指揮型用戶機(jī)、定時型用戶機(jī)、測高型用戶機(jī)、加固型用戶機(jī)、兼容型用戶機(jī)等等。
通信終端用戶機(jī)對接收信號的處理主要包含兩大部分，即射頻處理部分和基帶處理部分。其中射頻處理部分完成上行信號的調(diào)制、變頻、功率放大及下行信號的放大、提取、頻率變換；基帶處理部分完成接收信號的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、碼捕獲、碼跟蹤、解擴(kuò)、解調(diào)、信息解碼、及發(fā)射信息的卷積編碼、信息拼接、擴(kuò)頻調(diào)制等。
無線移動通信中，通信系統(tǒng)中的收發(fā)之間存在傳輸延遲，受終端移動的影響，這種傳輸延遲是隨機(jī)的。在擴(kuò)頻通信體制下，傳輸?shù)男盘柺且淮B續(xù)不斷的碼元，受傳輸延遲影響，碼元的起止時刻也是隨時間變化的，而對于基帶處理只有在知道碼元的起止時刻，才能生成和發(fā)信端具有頻率和相位一致的擴(kuò)頻碼，然后才能實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)處理恢復(fù)擴(kuò)頻前信息，這稱為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的碼同步過程。通過通信協(xié)議可以簡單地實(shí)現(xiàn)收發(fā)之間的碼元頻率同步，因此事實(shí)上碼同步過程就是碼元相位同步過程，一般分為兩步，第一步搜索和捕獲擴(kuò)頻媽的初始相位，使與發(fā)端的碼相位誤差小于1個碼片(Chip)，這一步稱為碼捕獲或初始同步；第二步是在初始同步的基礎(chǔ)上，使碼相位誤差進(jìn)一步減小，使所建立的同步保持下去，這一步稱為碼跟蹤。因此碼捕獲裝置是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中基帶處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而且碼捕獲裝置性能的好壞將影響對整個基帶處理單元的性能。
接收機(jī)剛剛開機(jī)時收發(fā)之間擴(kuò)頻碼的相位誤差是完全不可知的，因此需要進(jìn)行搜索才能捕獲到正確的擴(kuò)頻碼相位，搜索的過程結(jié)合圖1來詳細(xì)描述。碼元相位與能量的關(guān)系，如圖1，是其中橫坐標(biāo)為搜索窗內(nèi)的相位偏置，單位為1/Nchip，根據(jù)捕獲精度的不同，N可以取1，2，4等等，搜索窗的大小根據(jù)最大可能的相位偏置來設(shè)定記為M/Nchips；縱坐標(biāo)為不同的相位偏置處的相關(guān)能量值；T為門限閾值。其中偏置為j處的相關(guān)能量值的計算如下E(j)=Σi=0L-1Data[i+j]×PN(i)]]>其中E(j)為偏置等于j處的相關(guān)能量值；L為積分長度；
PN為本地生成的擴(kuò)頻碼。
Data接收到的信號進(jìn)行AD采樣之后的數(shù)據(jù)。
用上式計算出搜索窗內(nèi)每個相位偏置對應(yīng)的能量后，找出能量值最高且超過門限閾值的相位偏置值(圖1中的相位偏置值K)就是需要捕獲的擴(kuò)頻碼的初始相位，以此作為基礎(chǔ)進(jìn)行碼跟蹤就可以產(chǎn)生出和發(fā)信端具有相同相位的擴(kuò)頻碼完成碼同步過程。
全球定位系統(tǒng)中，每顆定位衛(wèi)星都以一個或多個波束覆蓋地面終端用戶機(jī)，由于不同衛(wèi)星所處位置不同，不同波束信號經(jīng)歷的空中傳播途徑有差異，因此對于終端用戶機(jī)的接收而言，不同波束信號到達(dá)終端接收機(jī)時擴(kuò)頻碼的相位是不相同的，對應(yīng)不同的波束都必須進(jìn)行碼捕獲，才能保持和多個波束的正常通信，這稱為多波束的碼捕獲。
碼捕獲可以采用多種方法實(shí)現(xiàn)，常見的有串行相關(guān)法、并行匹配法和串并行結(jié)合的方法。串行相關(guān)法的優(yōu)點(diǎn)是消耗的硬件資源極少，但搜索周期長，捕獲時間慢；并行匹配法的優(yōu)點(diǎn)是搜索周期短，捕獲快，但消耗的硬件資源多；串并行結(jié)合的方法在搜索周期和搜索消耗的硬件資源之間折中。針對不同的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，采用不同的捕獲方法。
對于多波束碼捕獲的實(shí)現(xiàn)裝置，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法采用完全并行處理方式。完全并行處理的方式在于對于每一個波束都有自己獨(dú)立的一套電路實(shí)現(xiàn)碼捕獲，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)，但是，由于搜索器中需要大量的累加器占據(jù)大量的硬件資源，如果再給每個波束都分配一個碼捕獲裝置，在需要處理波束數(shù)目不多時還勉強(qiáng)可以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)需要處理的波束數(shù)目增加時，將由于硬件資源耗費(fèi)龐大而難以實(shí)現(xiàn)，而對于終端用戶機(jī)而言能處理的波束數(shù)目越多，導(dǎo)航定位等功能越可靠。采用并行處理方式，還將由于硬件資源開銷大而難以開發(fā)出終端機(jī)專用基帶處理的芯片集成。因此，目前的并行處理方法，對于衛(wèi)星數(shù)目較少時，是比較簡單直觀的方法，但當(dāng)定位衛(wèi)星數(shù)目增加時，資源耗費(fèi)巨大，成本急劇增加。
另外，由于不同的終端用戶機(jī)在不同的信道環(huán)境下會采用不同的碼捕獲辦法，對累加積分長度、捕獲周期、要捕獲的波束都會有所不同，因此采用單一碼捕獲的方法是不夠的。目前，在終端機(jī)基帶信號處理部分碼捕獲實(shí)現(xiàn)方面，還沒有一種能夠靈活配置、融合多種算法的碼捕獲裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，如何針對目前的完全并行處理方式，克服現(xiàn)有技術(shù)中的定位衛(wèi)星數(shù)目增加時硬件裝置資源耗費(fèi)龐大的缺點(diǎn)以及碼捕獲辦法固定不可配置問題，提出一種共享硬件資源的方法，該方法還可以根據(jù)不同的信道環(huán)境下選擇不同的碼捕獲辦法；進(jìn)一步，提供實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。
本發(fā)明上述第一個技術(shù)問題這樣解決，構(gòu)造一種多波束碼捕獲方法，使用專用碼捕獲電路裝置，其特征在于，采用時分復(fù)用方式和集中控制電路結(jié)構(gòu)，利用公用的一套專用碼捕獲電路裝置分時逐一對所有波束按各自指定的算法進(jìn)行碼捕獲。
按照本發(fā)明提供的碼捕獲方法，其特征在于，所述算法可以是串行相關(guān)法、并行匹配法或串并行結(jié)合法中的任一種。
按照本發(fā)明提供的碼捕獲方法，其特征在于，所述時分復(fù)用方式是周期性進(jìn)行，每一周期完成一次對所有波束的碼捕獲，所述周期為碼捕獲的更新周期。
按照本發(fā)明提供的碼捕獲方法，其特征在于，所述各自指定的算法和更新周期可以預(yù)先設(shè)置和選擇。
按照本發(fā)明提供的碼捕獲方法，其特征在于，所述時分復(fù)用方式，包括在所述一個周期內(nèi)，利用存儲器緩存并行到來的多波束信號，然后分時在每一波束對應(yīng)的處理時間串行讀出其數(shù)據(jù)、快速進(jìn)行碼捕獲并實(shí)時輸出結(jié)果。
按照本發(fā)明提供的碼捕獲方法，其特征在于，在所述周期內(nèi)，所述每一波束對應(yīng)的處理時間長短可以不同。
本發(fā)明的另一問題這樣解決，構(gòu)造一種多波束碼捕獲裝置，包括周期分時選擇控制的集中控制模塊、進(jìn)行碼捕獲的主處理模塊以及用于緩沖接收和選擇輸出的數(shù)據(jù)緩沖模塊。
按照本發(fā)明提供的裝置，其特征在于，所述主處理模塊包括依次連接的擴(kuò)頻碼發(fā)生單元、匹配運(yùn)算單元、相干或非相干累加單元以及峰值查找和捕獲判定單元；所述擴(kuò)頻碼發(fā)生單元包括碼發(fā)生塊、擴(kuò)頻碼緩存塊和擴(kuò)頻碼復(fù)用塊，所述相干或非相干累加單元包括依次連接的相干累加塊和非相干累加塊，所述匹配運(yùn)算單元包括相關(guān)解擴(kuò)塊和加法塊。
按照本發(fā)明提供的裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)緩沖模塊包括從輸入到輸出的截位運(yùn)算單元、數(shù)據(jù)緩存單元和數(shù)據(jù)復(fù)用單元。
本發(fā)明提供的碼捕獲方法和裝置是只使用一套碼捕獲主處理模塊，無需增加任何額外資源，就能完成所有波束的碼捕獲任務(wù)，與傳統(tǒng)并行處理和單一碼捕獲方法相比，更加有效地利用了硬件資源，大大降低了開發(fā)成本，不因定位衛(wèi)星數(shù)目的增加而增加硬件資源，便于硬件開發(fā)中資源的充分利用。同時該裝置和方法，具備參數(shù)可配置功能，碼捕獲的方法和捕獲波束、捕獲周期都是可以配置的，有利于實(shí)現(xiàn)軟件對硬件的控制，靈活性高且有利于專用基帶集成芯片的開發(fā)。對于北斗通信終端用戶機(jī)而言，能處理的波束越多，定位精度越準(zhǔn)確，系統(tǒng)越可靠，簡而言之，本發(fā)明解決了波束數(shù)目增加時的碼捕獲硬件資源耗費(fèi)龐大的問題，有利于降低系統(tǒng)成本，同時增加了碼捕獲可以靈活配置的功能，其適應(yīng)不同環(huán)境的能力大大提高。


圖1是徑的能量時延擴(kuò)展圖；圖2是本發(fā)明的流水時序；圖3是本發(fā)明的碼捕獲結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明的數(shù)據(jù)緩存、選擇結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明的擴(kuò)頻碼緩存、選擇結(jié)構(gòu)圖；圖6是本發(fā)明的匹配運(yùn)算結(jié)構(gòu)圖；圖7是本發(fā)明的累加結(jié)構(gòu)圖；具體實(shí)施方式
首先，說明本發(fā)明的基礎(chǔ)點(diǎn)。
(一)本發(fā)明的主要思想是利用一個集中控制單元，針對不同的參數(shù)配置產(chǎn)生出不同的控制信號，控制碼捕獲的完成；對于多波束碼捕獲，在時間上進(jìn)行周期性地分段，每一段時間段內(nèi)完成一次所有波束的碼捕獲，該時間段稱為碼捕獲的更新周期，在每個更新周期內(nèi)，首先利用存儲器緩存天線數(shù)據(jù)，天線數(shù)據(jù)包含了多個波束的信息，然后在每個周期內(nèi)，按照波束再次在時間上分段，分別快速地進(jìn)行不同波束的碼捕獲并實(shí)時輸出捕獲結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對單個波束碼捕獲裝置的分時復(fù)用；同時為了增加靈活性，每個波束的積分長度都可以靈活配置，因此每一個波束的捕獲周期都可以配置；同時為了節(jié)約資源，所有的子單元全部采用流水線處理方式。
(二)時分復(fù)用原理本發(fā)明所述裝置基于擴(kuò)頻原理，在發(fā)射端每個符號(Symbol)按擴(kuò)頻因子(SF-Spreading Factor)擴(kuò)展為碼片級數(shù)據(jù)，因此接收端的解擴(kuò)將碼片級數(shù)據(jù)又回復(fù)為符號級數(shù)據(jù)，因此解擴(kuò)之后的數(shù)據(jù)輸率降為解擴(kuò)之前的1/SF，也就是說在SF個碼片(Chip)時間段里，輸出得到搜索窗內(nèi)所有偏置的一個符號的積分結(jié)果，邏輯上需要M個相關(guān)器，其中M為搜索窗大小。當(dāng)采用高速系統(tǒng)時鐘復(fù)用時，比如C倍的碼片時鐘，物理上只需 個相關(guān)器。
進(jìn)一步，根據(jù)附圖和實(shí)施例具體說明本發(fā)明(一)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，本裝置以chip級的數(shù)據(jù)為輸入，以捕獲到的多波束的擴(kuò)頻碼相位和對應(yīng)的能量為輸出。該裝置包括集中控制模塊10、數(shù)據(jù)緩沖模塊11以及由擴(kuò)頻碼發(fā)生單元12、匹配運(yùn)算單元13、累加單元14以及峰值查找和捕獲判定單元15的主處理模塊6。進(jìn)一步地，如圖4，數(shù)據(jù)緩沖模塊11包括截位運(yùn)算單元16、數(shù)據(jù)緩存單元17和數(shù)據(jù)復(fù)用單元18，完成數(shù)據(jù)的緩沖存儲和選擇讀出；如圖5，擴(kuò)頻碼發(fā)生單元12包括碼發(fā)生塊19、擴(kuò)頻碼緩存塊20、擴(kuò)頻碼復(fù)用塊21；如圖6，匹配運(yùn)算單元13包括相關(guān)解擴(kuò)塊22、加法塊23；如圖7，累加單元14包含相干累加塊24、非相干累加塊25。
(二)工作原理。下面就裝置的主要部件對其工作步驟和原理進(jìn)行具體說明①集中控制控制模塊10該單元主要目的在于響應(yīng)六個參數(shù)設(shè)置，控制所有單元協(xié)調(diào)的完成整個處理過程。參數(shù)1為碼初相，參數(shù)2為碼多項式，根據(jù)不同時刻送來的碼初相、多項式產(chǎn)生不同波束的本地擴(kuò)頻碼。參數(shù)3為chip級別數(shù)據(jù)截位指示，允許多種截位方式。保證在不同的信道環(huán)境下獲取最佳數(shù)據(jù)源。參數(shù)4為相干、非相干累加指示，相干累加長度和系統(tǒng)固定頻偏成反比，為降低虛警概率，在搜索周期允許的情況下，可以增加非相干累加長度。參數(shù)5為一次相干累加或非相干累加期間，累加的符號數(shù)，和參數(shù)4成對使用。參數(shù)6為相對或絕對搜索門限閾值指示，參數(shù)7為相對或絕對門限閾值，由仿真調(diào)試得到。
②數(shù)據(jù)緩沖模塊11為響應(yīng)不同A/D不同的量化方式，數(shù)據(jù)在進(jìn)入該單元之前，需要適當(dāng)?shù)慕匚?，可以截去一至四位，然后?shù)據(jù)進(jìn)入緩存，設(shè)定搜索精度為1/Nchip，主頻時鐘為C倍碼片速率，緩存長度為L，緩存里面的數(shù)據(jù)每1/Nchip更新一次，在更新期間內(nèi)，每個系統(tǒng)時鐘取數(shù)據(jù) 個，每 個系統(tǒng)時鐘取完緩存里面的數(shù)據(jù)，然后再次循環(huán)讀取緩存里面的數(shù)據(jù)，將I、Q兩路共 個數(shù)據(jù)輸出，作為匹配運(yùn)算單元13的輸入。
③擴(kuò)頻碼單元12在該單元中，不同的擴(kuò)頻碼初始相位和不同的碼多項式產(chǎn)生不同波束的擴(kuò)頻碼，然后將產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼送到擴(kuò)頻碼緩存20中，緩存長度為 緩存里面的擴(kuò)頻碼每個chip更新一次，每個系統(tǒng)時鐘取擴(kuò)頻碼 個，每 個系統(tǒng)時鐘取完緩存里面的擴(kuò)頻碼，然后再次循環(huán)讀取緩存里面的擴(kuò)頻碼，將擴(kuò)頻碼的輸出作為匹配運(yùn)算單元13的輸入。
④匹配運(yùn)算單元13該單元執(zhí)行相關(guān)解擴(kuò)積分運(yùn)算，解擴(kuò)塊22執(zhí)行并行I、Q雙通道相關(guān)解擴(kuò)運(yùn)算，加法塊23逐級累加相關(guān)解擴(kuò)結(jié)果，設(shè)計中充分利用高倍時鐘，邏輯解擴(kuò)積分單元可以擴(kuò)充物理解擴(kuò)積分單元的 倍，大大減少了相關(guān)器的個數(shù)，硬件資源也大為降低。每 個系統(tǒng)時鐘完成每個偏置一個符號I、Q雙通道的積分，輸出積分結(jié)果作為相干或非相干累加單元14的輸入。
⑤累加單元14該單元可實(shí)現(xiàn)1至8個符號的相干累加，也可以實(shí)現(xiàn)1至128段非相干累加，相干和非相干累加數(shù)目完全由參數(shù)4和參數(shù)5決定，每次相干累加完后，相干累加塊24的RAM0里面數(shù)據(jù)送出去做非相干累加，同時RAM0清零以準(zhǔn)備下一段的相干累加。非相干累加塊25的RAM1里面的數(shù)據(jù)一直累加，直到下一波束捕獲開始時，RAM1里面的不同偏置的能量值送到峰值查找和捕獲判定單元15，同時RAM1清零，準(zhǔn)備下一波束的非相干累加。
⑥峰值查找和捕獲判定輸出單元15該單元順序從能量時延擴(kuò)展譜中按照一定的策略選出認(rèn)為是正確的徑，得到該徑的能量和在搜索窗中的位置。在挑選峰值的同時計算功率時延擴(kuò)展的均值，控制信號D決定是采用相對門限還是絕對門限，只有當(dāng)該徑的相對或絕對能量大于門限閾值時，才更新該波束正在解擴(kuò)的徑，該波束徑的更新快慢取決于何時重新配置的該波束的碼多項式、碼初始相位。如果被選出的徑相對或絕對能量不大于門限閾值，則不更新該波束正在解擴(kuò)的徑。
權(quán)利要求
1.一種多波束碼捕獲方法，使用專用碼捕獲電路裝置，其特征在于，采用時分復(fù)用方式和集中控制電路結(jié)構(gòu)，利用公用的一套專用碼捕獲電路裝置分時逐一對所有波束按各自指定的算法進(jìn)行碼捕獲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述碼捕獲方法，其特征在于，所述算法可以是串行相關(guān)法、并行匹配法或串并行結(jié)合法中的任一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述碼捕獲方法，其特征在于，所述時分復(fù)用方式是周期性進(jìn)行，每一周期完成一次對所有波束的碼捕獲，所述周期為碼捕獲的更新周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述碼捕獲方法，其特征在于，所述各自指定的算法和更新周期可以預(yù)先設(shè)置和選擇。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述碼捕獲方法，其特征在于，所述時分復(fù)用方式，包括在所述一個周期內(nèi)，利用存儲器緩存到來的多波束信號，然后分時在每一波束對應(yīng)的處理時間串行讀出其數(shù)據(jù)、快速進(jìn)行碼捕獲并實(shí)時輸出結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述碼捕獲方法，其特征在于，在所述周期內(nèi)，所述每一波束對應(yīng)的處理時間長短可以不同。
7.權(quán)利要求1-6所述碼捕獲方法使用的多波束碼捕獲裝置，包括周期分時選擇控制的集中控制模塊(10)、進(jìn)行碼捕獲的主處理模塊(6)以及用于緩沖接收和選擇輸出的數(shù)據(jù)緩沖模塊(11)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述裝置，其特征在于，所述主處理模塊(6)包括依次連接的擴(kuò)頻碼發(fā)生單元(12)、匹配運(yùn)算單元(13)、相干或非相干累加單元(14)以及峰值查找和捕獲判定單元(15)；所述擴(kuò)頻碼發(fā)生單元(12)包括碼發(fā)生塊(19)、擴(kuò)頻碼緩存塊(20)和擴(kuò)頻碼復(fù)用塊(21)，所述相干或非相干累加單元(14)包括依次連接的相干累加塊(24)和非相干累加塊(25)，所述匹配運(yùn)算單元(13)包括相關(guān)解擴(kuò)塊(22)和加法塊(23)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)緩沖模塊(11)包括從輸入到輸出的截位運(yùn)算單元(16)、數(shù)據(jù)緩存單元(17)和數(shù)據(jù)復(fù)用單元(18)。
全文摘要
本發(fā)明涉及并公開了一種北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)終端用戶機(jī)中基帶處理部分內(nèi)的多波束碼捕獲方法及其裝置。其中方法，包括使用公用的一套碼獲取裝置和時分復(fù)用方式逐一周期性對所有波束采用各自指定的碼獲取算法進(jìn)行實(shí)時碼獲取；其中裝置，包括周期分時選擇控制的集中控制模塊(10)、用于碼獲取的主處理模塊(6)和緩沖接收選擇輸出的數(shù)據(jù)緩沖模塊(11)。這種方法和裝置，與傳統(tǒng)多套硬件并行處理及其固定碼捕獲算法方式相比，有效地利用了硬件資源，大大降低了開發(fā)成本，同時通用性強(qiáng)且碼捕獲算法可靈活配置，有利于專用基帶集成芯片的開發(fā)。
文檔編號H04L25/48GK1635758SQ20031012246
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月25日
發(fā)明者皮興俊, 李勇 申請人:李劍